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浅析高清网络摄像机技术的六大趋势

2019-02-19 16:52:40 | 来源: 旅游

浅析高清络摄像机技术的六大趋势

近年来,高清视频监控技术逐步进入人们的眼帘,成为未来安防监控领域技术发展的方向之一。越多来越多的厂商开始推出高清化的产品。其中,作为高清视频监控的“”——高清络摄像机,更是受到广大厂商的青睐,五花八门的产品层出不穷,各式各样的技术名词更是让广大用户眼花缭乱。如何把握好高清络摄像机的脉搏,了解其未来的发展方向?本文将从技术发展角度出发,对高清络摄像机未来的发展趋势进行简要的介绍和展望。

分辨率不断提高

高清的定义,早来源于数字电视领域。高清电视,又叫“HDTV”,是由美国电影电视工程师协会确定的高清晰度电视标准格式。电视的清晰度,是以水平扫描线数作为计量的,它将高清划分为:720p格式(750条垂直扫描线,720条可见垂直扫描线,16∶9,分辨率为1280×720,逐行/60Hz,行频为45KHz);1080i格式(1125条垂直扫描线,1080条可见垂直扫描线,16∶9,分辨率为1920×1080,隔行/60Hz,行频为33.75KHz);

1080p格式(1125条垂直扫描线,1080条可见垂直扫描线,16∶9,分辨率为1920×1080,逐行扫式)。

监控行业借鉴了广电行业的相关标准。上海市于2010年9月颁布了国内个针对安防监控用数字摄像机的地方性技术规范,规范中将数字摄像机按清晰度由低到高分为A、B、C三级。其中,B级要求分辨率≥1280×720,C级要求分辨率≥1920×1080。可见,720p和1080p已经成为业界高清络摄像机的一种标准。

然而,有的厂商对于高清络摄像机还有着其它的命名方式,比如百万像素高清络摄像机,200万像素高清络摄像机等等,这可以理解为“非标准”命名,它和“标准”有一定关联,但不能简单对应。比如,720p的像素为92.16万,1080p的像素为207.36万,可以分别叫做百万像素和200万像素,但常见的130万像素其实际分辨率为1280×1024,虽然也具有较高清晰度,但并不符合广电行业标准。

就分辨率而言,高清络摄像机的发展可以说是一日千里,除了目前接触较多的百万像素、130万像素、200万像素外,300万像素、500万像素、800万像素的产品已经在市场上出现,甚至千万及千万以上像素的产品也开始在监控行业中露出端倪。可以说,人们在追求看得更清楚的路上将永不止步。

COMS逐渐取代CCD

感光器件是摄像机为核心的部件,目前普遍采用的主要有CCD(Charge Coupled

Device,感光耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-Oxide

Semiconductor,互补性氧化金属半导体)两种。两者都是利用光敏二极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字信号,而其主要差异是数字信号传送的方式不同。CCD在数据传送时不会失真,因为各个像素的数据是逐点传输到输出端再进行放大处理;而CMOS传感器是每个像素都有放大器,其放大效果保持均衡很困难,因而整合会产生噪声。也正由于其数据传输方式不同,CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异。通常认为CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器,而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。

针对CMOS传感器性能的不足之处,业界正在通过不断的技术革新加以改善,其中主要的技术突破点在于低照度条件下的成像性能提升和降低图像中的噪声信号。

以提升低照度性能而言,业界提出了微透镜(Micro

Lens)阵列技术,让更多的光能导入到CMOS传感器的每个像素(光电二极管)上,从而增加感应的亮度,不过微透镜技术已属微机电系统(MEMS)的层次,而非原有的单纯半导体电路层次,所以挑战难度的增加自是不难想像。

对于降低图像中的噪声信号,一种做法是对原有半导体制程进行改进,在CMOS电路的硅表面上掺入杂质,以此形成一个针扎层(Pinning

Layer),此结构可将光吸收到硅晶片的内部,进而降低(光电二极管)表面的噪声,此种作法也称为针扎光电二极管(Pinned

Photodiode)。目前此种作法确实改善了噪声问题,使图像品质提升,不过现阶段此种制程也会增加晶片的制造成本。

随着技术的发展,CMOS传感器的性能正在得到快速提升。此外,尽管相同尺寸的CCD传感器分辨率优于CMOS传感器,但如果不考虑尺寸限制,CMOS传感器在成品率上的优势可以有效克服大尺寸感光原件制造的困难,这样CMOS传感器在更高分辨率下将更有优势。另外,CMOS传感器响应速度比CCD快,因此更适合高清监控的大数据量特点。

从市场方面来看,CCD的传统生产厂商SONY已经开始把重心移向了CMOS传感器,不但研发出了ClearVid

CMOS技术,推出了Exmor系列的高清CMOS产品,在其生产的高清络摄像机中更是几乎清一色地采用了CMOS传感器,这也许可以看作是CMOS传感器的一个阶段性胜利。[nextpage]

ISP(Image Signal Processing)被编码芯片集成

要实现良好的图像质量,除了前端镜头、传感器部分对光线的处理,影像处理部分也是高清络摄像机中不可忽视的一环。通常情况下,传感器部分设置有内嵌的图像处理芯片处理一些较简单的功能,而较复杂的自动曝光、自动白平衡以及自动对焦等功能则必须通过后端ISP处理,以获得良好的影像效果。

传统的ISP是通过专门的ASIC或者DSP加以实现,随着技术的发展,后端的编码芯片已经越来越多的将ISP的功能加以集成。

以TI的DM36×平台为例,其中视频处理子系统(VPSS)中包含了CCD或CMOS传感器的控制器,直接接收原始视频信号,然后由集成的ISP进行预处理,其中有H3A处理(即自动曝光AE、自动白平衡AWB、自动聚焦AF)、镜头畸形校正模式(LDC)处理、硬件人脸检测引擎、影像协处理器(IMCOP)、影像处理加速器(IPIPE),以及增强型屏幕叠加显示(OSD)等等。

通过集成ISP,不但可大幅降低系统成本,更能大大增强视频的稳定性,优化影像在光学方面的性能。这对于提升高清络摄像机的成像品质具有及其重要的作用。

智能分析功能更加实用

智能化是监控系统发展的必然趋势,其本质在于从模拟或数字视频流中自动跟踪并识别对象,分析运动并提取有用视频信息。对络视频监控而言,前端摄像机的智能化具有极其重要的实用价值。例如异常报警录像,就是将所监控的视频图像,经过前端智能络摄像机的分析识别后,只将有异常的图像传输到后端去记录与显示,因而可大大减轻络的负担,有效地节省带宽资源。另一方面,在有智能络摄像机的智能视频监控系统后端,就只需集中对前端摄像机发送过来的目标数据信息进行管理,而不需要对视频信号进行处理与识别,所以后端系统不需要昂贵的设备也能完成高效的智能视频分析。由于后端只有前端发送来的预/报警事件的关联画面显示,使监控中心工作人员能够很轻松地完成整个系统的监视,而这种关联录像的功能,也使录像搜索和回放变得简单迅速,从而节省了宝贵的时间。

近两年,视频监控行业内对很多智能分析方案进行推广,但效果并不好,往往只是厂商推销产品的噱头。其原因,一方面在于智能分析算法本身技术不够完善,没有实质意义上的突破;另一方面则在于传统“标清”摄像机的分辨率有限,无法为智能分析算法提供足够清晰的图像。随着高清络摄像机的广泛应用,这一局面将得到改观。

目前在高清络摄像机中已经实现或者正在实现的智能分析功能有:视频遮挡与视频丢失侦测、视频变换侦测、视频模糊侦测、视频移动侦测、出入口人数统计、人群运动及拥堵识别、物品遗留识别、入侵识别等等。这些功能看上去比过去的智能分析功能要“逊色”得多,但却更为实用。[nextpage]

标准化

与模拟视频监控封闭的系统不同,络视频监控系统产品与产品之间要达到系统的兼容已成为摆在实际工程中的严峻问题,由此,关于标准问题的讨论日益增多,关于安防产品互通标准的组织也层出不迭,其中ONVIF、PSIA两大标准组织在安防企业的影响越来越大。

ONVIF,全称Open Network Video Interface

Forum,即开放性络视频接口论坛,由Axis、Bosch和Sony三家企业联合推出,是全球影响力的络视频监控行业标准组织,其目的是以公开、开放的原则共同制定开放性络视频监控行业标准。2008年11月,该组织正式发布了ONVIF版规范——ONVIF核心规范1.0。这一标准将为络视频设备之间的信息交换定义通用协议(诸如装置搜寻、实时视频、音频、元数据和控制信息)。

PSIA:(Physical Security Interoperability

Alliance)实体安防互通联盟,成立于2008年8月。该联盟的目标是为实体安防系统的硬件和软件平台创立一种标准化的接口。其致力于使基于IP络的不同安防系统具有兼容性。PSIA内也不乏Cisco、GE、Honeywell与Panasonic等大品牌,后者成员在络摄像机市场的占有率稍显逊色。

目前,从支持厂商数量与影响力来说,ONVIF联盟更胜一筹。根据IMS

Research的调查显示,目前ONVIF组织的成员占据市场72%的份额,已在北美、欧洲和亚洲地区拥有众多会员企业。除了三家发起公司外,佳能、松下、三星、思科、西门子、TI、海康威视、浙江大华、GE、MARCH、IDIS、CNB、IndigoVision、AmeriCAN

Dynamics、Anixter、Axxonsoft、Dallmeier、Deister、Genetec、HiTRON、Honeywell、ITRI、Itx、Milestone、NICE、Optelecom-nkf、Pacom、Pelco、Pravis、ZTE等有影响力的企业都参与到这个标准组织中。截止2010年5月,ONVIF已经有超过150多家成员。

当然,不管是ONVIF还是PSIA,都是企业自发组织形成的标准,不过从其得到越来越多企业的响应来看,还是具有非常重要的意义。

未来几年内,络视频监控系统建设成本将迅速降低,市场份额也将随之获得很大提升,面对日趋庞大的市场,整个视频监控产业链的分工将越来越细。日趋成熟的视频监控市场即将形成紧密的产业合作模式,这使得各厂商产品必须提供标准化接口,以满足整个监控产业的良性发展。从这个意义上说,标准化将成为高清络摄像机走向市场的通行证。

传输技术的进一步提升

高清络摄像机在提供给人们清晰的视觉体验的同时,也对络带宽提出了更高的要求。以720P实时视频为例,采用标准H.264 Main

Profile压缩算法的高清络摄像机至少需要2Mbps才能获得“高清”的视觉效果,而1080P全实时视频则需4Mbsp以上。普通ADSL的上行带宽早已无法满足高清视频的需要。随着3G、Wi-Fi、专等无线、有线宽带技术的成熟和应用,大流量数据的远程传送更加方便,这也扫除了高清络摄像机在大范围应用中的传输障碍。

目前,在平安城市、金融联监控等项目中通常采用自建光纤络或局域络实现1000M带宽络。这种千兆带宽资源,在前端安装100路1080P全实时高清络摄像机(即使按每路占用资源4Mbps计算),占用总带宽资源不到50%;如果是采用720P传输,带宽还可以减少一半。这样,完全可以有效支持高清络摄像机的实际应用。

无线传输方面,3G络加速了上的速度,使可视、游戏等应用如火如荼。但在安防视频监控行业,却还没有实质性的应用。究其原因,一是3G络建设相对滞后;二是3G资费依然太高。面对高清视频监控对于带宽的要求,3G更是力有未逮。要想真正实现高清无线视频监控,还需要等到4G的推广。目前,TD-LTE的出现,为我们开启了4G时代高清视频监控的大门。

TD-LTE是TD-SCDMA向IMT-Advanced(4G标准)演进的方向和工作基础,既继承并发展了中国自主知识产权的TD-SCDMA技术,又得到了广泛的国际支持。按照3GPP的TR25.913定义,LTE峰值的速率要求很高,上行50Mbps,下行100Mbps。从频谱效率角度来看,无论是上行的还是下行的频谱效率,都是我国现行络的倍。LTE的技术发展吸引了不同的体制规范的参与,包括了UMTS(即3GSM),还有CDMA2000阵营的参与,使LTE逐渐成为未来无线络4G的一种可能。

结语

随着监控技术的不断提高和发展,高清络摄像机作为监控技术发展的主要方向之一,结合光学成像技术、智能分析技术、络传输技术等等带来新的变革,在不断满足市场竞争需求的同时,趋向于一种自我的完美实现。它深刻地影响着监控技术领域,也将深刻地改变我们的生活方式。

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